"산성·고전압에도 안 녹는다"…고려대·KIST, 차세대 수전해 촉매 설계[과학을읽다]

루테늄 산화물 불안정성 해결…540시간 안정 작동·그린수소 생산 효율 향상 기대

국내 연구진이 산성 환경과 고전압 조건에서도 쉽게 성능이 떨어지지 않는 차세대 수전해 촉매 설계 기술을 개발했다. 그린수소 생산 과정의 핵심 난제로 꼽혀온 촉매 열화 문제를 해결할 수 있을지 주목된다.

이광렬 고려대학교 화학과 교수 연구팀은 유성종 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀, 백서인 고려대 KU-KIST융합대학원 교수 연구팀과 공동으로 산성 수전해 촉매의 활성과 내구성을 동시에 높이는 나노촉매 설계 전략을 제시했다고 20일 밝혔다.

해당 연구에서 개발된 촉매의 형성과 작동 원리를 도식화한 그림. 열처리 과정에서 백금-니켈 나노구조 표면의 루테늄이 내부로 이동하면서 루테늄 산화물과 백금이 조밀하게 연결된 ‘모자이크형 이종계면’이 형성된다. 연구진 제공.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials에 지난 7일 온라인 게재됐다.

수전해는 물을 수소와 산소로 분해해 그린수소를 생산하는 핵심 기술이다. 하지만 산성 환경과 높은 전압 조건에서 촉매 성능이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 특히 산소발생반응(OER)은 반응 과정이 복잡하고 속도가 느려 에너지 효율을 떨어뜨리는 핵심 원인으로 꼽혀왔다.

기존 루테늄 산화물 촉매는 이리듐 산화물보다 활성이 높고 비용 부담이 낮지만, 산성 고전위 조건에서 루테늄이 쉽게 녹아내리는 한계가 있었다.

연구팀은 백금-니켈 나노구조 표면에 루테늄을 성장시킨 뒤 열처리를 통해 루테늄 산화물과 백금이 촘촘히 맞물린 '모자이크형 이종계면' 구조를 구현했다. 이 과정에서 백금이 먼저 산화되며 전하를 흡수하는 '완충재' 역할을 수행해 루테늄 산화물이 과산화 상태로 변하며 용출되는 현상을 억제했다고 연구팀은 설명했다.

연구진 사진. (왼쪽부터) 박예지 고려대&KIST 박사(제1저자), 김도엽 고려대 화학과 박사과정(제1저자), 백서인 고려대 KU-KIST융합대학원 교수(교신저자), 유성종 KIST 수소ㆍ연료전지연구단 박사(교신저자), 이광렬 고려대 화학과 교수(교신저자). 고려대 제공

실험 결과 해당 촉매는 산성 조건에서도 높은 활성과 장기 안정성을 동시에 유지했다. 일정 전류 밀도 조건에서 168mV의 낮은 과전압을 기록했고, 540시간 이상 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 기술이 단순히 특정 촉매 성능 개선을 넘어 고성능 에너지 촉매 설계 전반에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이광렬 고려대 교수는 "나노촉매 내부 원자의 이동 방향을 정밀하게 제어해 기존 방식으로 구현하기 어려웠던 고밀도 이종계면 구조를 형성한 사례"라며 "향후 실제 수전해 시스템에서 상용 촉매를 뛰어넘는 고활성·고내구성 촉매 개발로 연구를 확장할 계획"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr